PC@GO對水泥基復合材料工作性能和力學性能的影響

李維超 許傳娣 李來波 蘆令超

(濟南大學山東省建筑材料制備與測試技術重點實驗室,山東 濟南 250024)

水泥基復合材料在土木工程中有著廣泛的應用。然而，水泥基復合材料抗裂縫形成能力差，這限制了其在結構上的應用[1]。有研究人員通過添加纖維的方法改善水泥基復合材料的力學性能[2]。但是纖維的添加僅能控制微米級和宏觀裂縫的擴展，不具備抑制納米裂縫擴展的能力。此外，一些纖維的加入會降低硬化水泥漿體的抗壓強度[3]。近年來，石墨烯作為一種二維層狀納米材料，具有較大的比表面積，良好的導電性和導熱性，被廣泛用于水泥的增強材料[4]氧化石墨烯(GO)，其表面富含親水含氧基團(-COOH， -OH)，可在水中穩定存在[5,6]。然而，由于氧化石墨烯表面Ca2+和羧基絡合，導致水泥中出現薄弱區域，降低了力學性能，因此很難保證GO在水泥漿體中的良好分散。要提高水泥漿中GO的應用價值，必須重視解決水泥漿中GO的聚集問題。本文通過超聲的方法將聚羧酸減水劑(PC)吸附到GO表面，研究其對水泥的工作性能與力學性能的影響。

1 實驗部分

1.1 材料與試劑

普通硅酸鹽水泥(山東水泥有限公司)、GO(第六元素材料科技有限公司)固體含量為1%±0.2%。采用含固量30%的PC對GO進行改性。

1.2 PC@GO的制備

將GO與PC按照固含量質量比為1∶6混合攪拌1h，然后超聲0.5h得到PC@GO分散液。

1.3 水泥漿體的制備

按照表1制備水泥凈漿,并用于水泥性能測試。

表1 水泥漿體的配合比

2 儀器與表征

流動度測試：按照GB/T 8077-2012《混凝土外加劑勻質性試驗方法》對上述含有不同PC@GO摻量的水泥基復合材料進行水泥凈漿流動度試驗。

力學性能測試：將水泥漿體塊在養護室中養護, 按照GB/T 17617-2007《水泥膠砂強度檢驗方法》測試其抗壓和抗折強度。

流變性能測試：采用配備的旋轉流變儀對水泥漿進行動態屈服應力測試。

吸水率測試：根據ASTM C1403J-15測定水泥硬化漿體的吸水率。

粘度測試：用旋轉粘度計(NDJ-8S)對其進行粘度測試。

凝結時間測試：按照GB/T 1346-2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》進行測試。

3 結果及分析

3.1 流動度測試

圖1為不同摻量PC@GO對水泥漿體流動度的影響。從圖中可以看出隨著PC@GO摻量的增加，流動度呈現出增加的趨勢，當摻量達到0.07%時，流動度達到134mm，相對對照組提高了65.4%。這是由于PC的摻入后，PC會吸附到水泥顆粒表面，導致水泥絮凝結構解體將包裹的水分子釋放出，從而使水泥漿體的流動度明顯增加。

圖1 PC@GO對水泥漿體流動度的影響

3.2 粘度測試

圖2為不同摻量PC@GO對水泥漿體粘度的影響。在某一剪切速率下,剪切應力與剪切速率之比叫粘度，同一泥漿在不同的剪切速率下表觀粘度不同。從圖2中看出隨著PC@GO摻量的增加，粘度呈現出逐漸降低的趨勢，這一趨勢與流動度相反，這是由于PC的潤滑作用導致的。減水劑中的親水基極性很強，因此水泥顆粒表面的減水劑吸附膜能與水分子形成一層穩定的溶劑化水膜，能有效降低水泥顆粒間的滑動阻力，從而使水泥漿體的粘度發生明顯的降低，這進一步說明PC@GO的加入明顯改善了漿體的工作性能。

圖2 PC@GO對水泥漿體粘度的影響

3.3 流變性能測試

不同摻量PC@GO對水泥漿體流變性能的影響如圖3所示。屈服應力是表示使水泥漿像液體一樣流動所需的最小應力，它可以用于表征水泥基材料中水泥漿體的流動性。本文采用了Herschel-Bulkley模型對水泥漿體用變剪切測試后得到的曲線進行非線性擬合，擬合曲線的截距代表動態屈服強度的大小。從圖3中可以看出隨著摻量的增加動態屈服應力逐漸下降，這再一次證明PC@GO對水泥漿體的工作性能有積極影響，消除了GO降低水泥漿體流動度的不利影響。

圖3 PC@GO對水泥漿體動態屈服應力的影響

3.4 時間測試

由圖4可以看出，不同摻量的PC@GO的加入均延緩了水泥漿體的凝結時間，并且隨著濃度的增加初凝和終凝時間也不斷延長。這是由于水泥基復合材料的凝結時間的長短受到水泥顆粒表面和水接觸的面積的影響，而PC會大量消耗水泥孔溶液中的Ca2+并且梳狀形貌的PC會由于靜電吸附包裹在水泥顆粒表面阻礙了水泥與水分子結合從而延緩了水泥的水化，當PC@GO的含量進一步增加時，對水泥硬化漿體的緩凝作用進一步加大。

圖4 PC@GO對膠凝材料凝結時間的影響

3.5 吸水率測試

Control、0.01%、0.03%、0.05%和0.07%樣品的吸水率測試結果如圖5所示。可以看出，隨著PC@GO摻量的增加，吸水率呈現先減小后增大的趨勢。0.05%樣品的3d齡期的吸水率最低相對對照組降低了6.5%。這是由于氧化石墨烯為二位片層材料，其具有細化孔隙、阻斷孔隙的作用。

圖5 PC@GO對水泥硬化漿體吸水率的影響

3.6 力學性能測試

不同摻量PC@GO對水泥硬化漿體不同齡期力學性能的影響如圖6所示。可以看出隨著PC@GO摻量的增加，力學性能呈現出先增后減的趨勢，這是由于氧化石墨烯的加入可以有效改善水泥硬化漿體的形貌、細化孔隙以及提高致密度。

圖6 PC@GO對水泥硬化漿體力學性能的影響

4 結 論

隨著PC@GO摻量的增加，水泥漿體的工作性能增加，并且隨著摻量的增加，凝結時間越長。當PC@GO的摻量為0.05%時，3d齡期的抗壓抗折強度分別比對照樣品提高了13.8%和33.3%。